豬重要經(jīng)濟性狀QTLs定位研究進展

周 臣，胡 群，賀艷娟，顧 婷，鄭恩琴，劉德武，吳珍芳，洪林君，蔡更元

（華南農(nóng)業(yè)大學動物科學學院，國家生豬種業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣東廣州 510642）

數(shù)量性狀基因座（Quantitative Trait Loci，QTL）概念最早由Geldermann[1]于1975 年提出，即控制數(shù)量性狀的基因座位，QTL 是指對復(fù)雜數(shù)量性狀有較大影響的單一基因或緊密連鎖的基因簇在基因組中的位置。傳統(tǒng)數(shù)量遺傳學理論是基于孟德爾遺傳定律在宏觀上以種群表型性狀程度差異來推測其可能的多基因效應(yīng)，即2 個或更多基因的產(chǎn)物及其環(huán)境。近十幾年來隨著分子遺傳學的發(fā)展和應(yīng)用，通過鑒定的分子標記（如SNP 或AFLP）與觀察到的性狀相關(guān)來映射QTL 成為主要的研究方式。在豬的育種工作中，最初經(jīng)濟選育的需求主要體現(xiàn)在生產(chǎn)力上，1994 年Andersson 等[2]首次對豬的生長和肥胖的QTL 進行了定位，揭開了在豬分子育種上的序幕。之后許多科學家投身于豬分子遺傳育種工作，大量QTL 逐漸被發(fā)現(xiàn)和定位?；谶@些QTL 的定位和豬全基因組測序，豬的基因遺傳圖譜逐漸成形。目前的研究一方面完善該圖譜，另一方面在豬育種上利用已定位QTL 有重要的實踐指導意義，且在該基因圖譜基礎(chǔ)上開辟新的可行育種途徑。

1 QTL 定位方法

QTL 定位就是利用標記輔助選擇（MAS）或標記輔助導入等數(shù)理統(tǒng)計的方法，分析整個基因組DNA 分子標記和數(shù)量遺傳性狀表型值的關(guān)系。檢測QTL 的存在并將其定位在遺傳圖譜上，確定遺傳標記與QTL 間的遺傳距離（以重組率表示），并估測QTL 的遺傳效應(yīng)。根據(jù)標記數(shù)目的不同可分為單標記、雙標記和多標記幾種方法。根據(jù)統(tǒng)計分析方法的不同可分為方差與均值分析法、最小二乘多元回歸分析法、矩估計及最大似然法等。根據(jù)標記區(qū)間數(shù)可分為零區(qū)間作圖、單區(qū)間作圖和多區(qū)間作圖。此外，還有將不同方法結(jié)合起來的綜合分析方法，如QTL 復(fù)合區(qū)間作圖（CIM）、多區(qū)間作圖（MIM）、多QTL 作圖、多性狀作圖（MTM）等。下面以候選基因法（Candidate Gene Approach）、標記-QTL連鎖分析（Mark-QTL Linkage Analysis）、比較基因組學(Comparative Genomics) 和SNP 芯片遺傳標記4 種定位檢測方法進行比較分析。

1.1 候選基因法 候選基因法的原理是根據(jù)已有的生理生化背景知識來假設(shè)所標記的基因或驗證其是影響某經(jīng)濟性狀的主基因。該方法是直接從已知或潛在的基因系統(tǒng)中挑選出可能對該性狀有影響的候選基因，然后采用分子生物學、全基因組關(guān)聯(lián)分析等技術(shù)檢測其候選基因的多態(tài)性?；静襟E：首先選擇合適的標記性狀及種質(zhì)群體，然后進行系間雜交獲得F2代，再檢測各世代的數(shù)量性狀及其相關(guān)染色體上的基因型，最后通過遺傳標記與數(shù)量性狀之間是否存在連鎖關(guān)系，并利用數(shù)學統(tǒng)計方法確定其效應(yīng)大小[3]。

1.2 標記-QTL 連鎖分析 標記-QTL 連鎖分析也稱為基因組掃描法（Genomic Scanning Approach），即利用微衛(wèi)星標記進行連鎖分析，其分為單標記分析和群體標記。前者使用標記平均值不能獲得QTL 效應(yīng)的單獨估計值和QTL 與標記的重組頻率，因此不能區(qū)分標記連鎖是QTL 大效應(yīng)松散還是小效應(yīng)緊密。后者是在整個基因組內(nèi)進行，首先根據(jù)側(cè)翼標記信息對某一個區(qū)間內(nèi)的QTL 基因型的條件概率進行計算，然后將連續(xù)若干區(qū)間使用最小二乘法或最大釋然法進行分析，計算每個區(qū)間的檢驗統(tǒng)計量，根據(jù)最大檢驗統(tǒng)計量存在的區(qū)間即為QTL 可能存在的位置。

1.3 比較基因組學 比較基因組學是基于基因組圖譜和測序基礎(chǔ)，對已知的基因和基因組結(jié)構(gòu)進行比較，來了解基因的功能、表達機理和物種進化的學科。比較基因組學分為種內(nèi)比較和種間比較。在豬的性狀定位研究上，則利用種間比較即印記QTL 法，該方法利用模式動物（如小鼠、猴等）的基因組與豬基因組之間編碼順序和結(jié)構(gòu)上的同源性并結(jié)合其他輔助標記來定位其相關(guān)性狀與基因位點的連鎖關(guān)系及效應(yīng)大小[4]。

1.4 SNP 芯片遺傳標記 單核苷酸多態(tài)性（Single Nucleotide Polymorphism，SNP）主要是指在基因組水平上由單個核苷酸的變異所引起的DNA 序列多態(tài)性。在基因組上單個核苷酸的變異包括置換、顛換、缺失和插入。從1996 年美國學者Lander 提出的第3 代DNA 遺傳標記開始，SNP 研究越來越迅速，已經(jīng)成為畜禽育種中重要的研究工具。由于多數(shù)方法只能將QTL 定位到一個區(qū)間而非具體位置，且具有較高的假陽性。為此，提出利用全基因組上的SNP 標記，通過emBayesB 方法和性狀-標記回歸區(qū)間分析相結(jié)合的組合方法進行QTL 定位研究。組合方法能夠篩選出與QTL 存在較強關(guān)聯(lián)的SNP 標記，具有較高的計算速度和計算效率；通過性狀-標記區(qū)間檢測，能夠較為精確地計算出QTL 的位置[5]。

2 豬遺傳圖譜分析

豬的QTL 研究涵蓋眾多具有經(jīng)濟價值的數(shù)量性狀，相關(guān)文獻報道了27963 個QTL（表1、2），包括滴水損失、背膘面積、眼肌面積、胴體長、平均日增重、瘦肉率、乳頭數(shù)、第10 根肋骨處背膘厚、腿臀重、最后肋骨處背膘厚、屠宰后pH24h、肌內(nèi)脂肪含量、背最長肌pH、黑瘤易感性、肉色-L、屠宰率、應(yīng)激能力、肩部皮下脂肪厚度、屠宰重、出生重等（圖1）；每年發(fā)現(xiàn)的QTL 數(shù)量不斷增加；相關(guān)QTL 的文章數(shù)量也不斷增長（圖2）；近年來越來越多QTL 已運用到動物生產(chǎn)中，產(chǎn)生了巨大經(jīng)濟價值。

3 豬QTL 定位應(yīng)用

迄今為止已鑒定出眾多影響家畜數(shù)量性狀的基因，其育種和生產(chǎn)具有極大的應(yīng)用價值，且許多基因已投入應(yīng)用，包括雌激素受體基因、肥胖相關(guān)基因、生長激素基因、自然抗病力有關(guān)的大噬菌體蛋白 1 基因等，由于QTL 數(shù)量眾多，對生豬的經(jīng)濟性狀按其功能大致可分為繁殖性狀、生長性狀、肉質(zhì)性狀、抗病性狀等4 類，以下分別介紹影響這4 類數(shù)量性狀的主效/候選基因。

表1 豬已檢測QTL 在染色體上分布情況

表2 按豬表現(xiàn)性狀分類的QTL 數(shù)量

圖1 豬檢測到QTL 最多的前15 個性狀排名

圖2 1994—2018 年豬QTL 研究文章和QTL 數(shù)量

3.1 繁殖性狀 豬的繁殖過程包括卵子和精子的發(fā)育以及受精卵在母體子宮發(fā)育，激素在該過程中起到重要的調(diào)控作用。影響豬繁殖性狀的因素有很多，包括產(chǎn)仔數(shù)、黃體數(shù)、子宮長度等。在產(chǎn)仔數(shù)方面，Rothschild 等[6]把該主效基因-雌激素受體（ESR）定位于1p2.4～2.5，通過候選基因法對中國梅山豬雜交顯示，含有50%梅山背景的合成系的母豬得益于該純合等位基因，比來自同一合成系的母豬在第1 胎次中多產(chǎn)2.3 頭；Jiang 等[7]研究表明，GnRH基因、LHR基因在對黃體生成數(shù)方面有重要作用；Sato 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，豬FSHR基因與卵泡產(chǎn)生及其數(shù)量有重要聯(lián)系，從而影響繁殖性能。影響繁殖性狀方面的QTL 基因目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2 129 種（表2），除上述對繁殖有重要影響的基因之外，其他部分相關(guān)影響基因見表3。

表3 影響豬繁殖性狀的部分主效基因或候選基因

3.2 肉質(zhì)性狀 影響豬肉品質(zhì)的因素很多，包括營養(yǎng)、遺傳、環(huán)境等。在遺傳方面，其肉質(zhì)性狀存在如酸肉基因、氟烷基因之類的主效基因，但肉質(zhì)性狀大多是多基因控制的數(shù)量性狀。隨著人們生活水平的提高，對豬肉品質(zhì)要求也越來越高，如何提高瘦肉率并在此基礎(chǔ)上提高肌內(nèi)脂肪含量、不飽和脂肪酸水平等指標顯得尤為重要。Kim 等[20]研究顯示，存在于豬6 號染色體上的LEPR基因?qū)θ庵心懝檀妓?、二十碳烯酸含量、亞油酸含量、胴體脂肪面積百分比等有影響；瘦素基因在動物生長、肥胖和身體組成中起著基礎(chǔ)性的作用；Pérez-Montarelo 等[21]在研究伊比利亞×長白豬實驗雜交豬LEP基因序列，以鑒定與生產(chǎn)力和品質(zhì)性狀相關(guān)的基因多態(tài)性結(jié)果顯示，在伊比利亞豬中固定的LEP g.1387C＞T 和LEPR c.1987C＞T 的T 等位基因?qū)е轮旧L、脂肪含量和飽和脂肪酸含量增加，同時這可以通過增加采食量來解釋其影響。常見的豬肉品質(zhì)還包括色澤、酸肉（AP）、質(zhì)地以及滴水損失等，而這些都與氟烷基因和酸肉基因的表達有關(guān)；Salas 等[22]研究表明，PSE肉與隱性氟烷（Hal）等位基因Haln的表達有關(guān)。隱性Hal 豬的肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)含有缺陷的Ca2+釋放通道（CRC）或Ryanodine 受體（RYR1），其允許Ca2+在應(yīng)激反應(yīng)中不受控制地釋放。屠宰前應(yīng)激引起的乳酸代謝異常導致死后肌肉pH 突然下降，產(chǎn)生PSE 豬肉。相反，AP 是由Rendement Napole基因的顯性RN等位基因引起的。RN-豬具有高糖酵解潛力，由于死后過量的乳酸產(chǎn)生導致較低的pH。PSE 和AP 肌肉細胞的持水能力，容易導致過度的滴水損失進而影響烹飪及肉制品的加工。與更準確的基因標記物測試相比，評估Hal和RN基因型的常規(guī)方法效果較差，通過針對Haln和RN等位基因的基因組選擇可以在更短的時間內(nèi)降低缺陷基因的頻率[22]。隨著更多QTL 的確定，育種工作者能夠更有效地選擇性狀，以提高養(yǎng)豬生產(chǎn)效率，提高豬肉品質(zhì)。影響肉質(zhì)的部分基因見表4。

3.3 生長性狀 生長性狀也稱生長胴體性狀，如何提高和改善生長性狀是目前動物育種工作者重要的研究熱點。提高動物群體中生長優(yōu)勢基因的頻率、降低劣勢基因是該育種選擇的主要方向。衡量生豬生長性狀的指標有平均日增重、出生重、背膘厚、肋骨形態(tài)、體寬等。Casas-Carrillo 等[34]的研究集中證明了IGF-1基因型與斷奶后平均日增重（ADG）存在連鎖（LOD=2.3）。Tu 等[35]測定了杜洛克豬MSTN 基因的435 G/447A 等位基因會增加杜洛克豬的ADG 和飼料效率（FE），并縮短體重達到110 kg 的日齡，該基因并可用于豬育種計劃中。同時，肥胖基因、類胰島素生長因子-Ⅰ基因、類胰島素生長因子-Ⅱ基因等均對出生日增重等生長性狀產(chǎn)生影響，其他影響生長性狀的部分基因見表5。

表4 影響豬肉質(zhì)性狀的部分主效基因或候選基因

表5 影響豬生長性狀的部分主效基因或候選基因

3.4 抗病性狀 在生豬養(yǎng)殖過程中，面臨最大的生產(chǎn)風險就是疾病防控。疾病防控一方面可在飼養(yǎng)管理層面進行，如環(huán)境管理、添加藥物預(yù)防；另一方面則可從提高動物本身體質(zhì)來抵抗疾病的侵入，除了營養(yǎng)搭配外，抗病基因的篩選和研究受到育種工作者重視。Sun 等[44]把天然抗性相關(guān)巨噬細胞蛋白1（NRAMP1）基因定位到豬15 號染色體上，研究表明NRAMP1是豬對沙門氏菌感染的潛在候選基因[44]。Sun 等[45]研究將豬TAP1基因定位于7 號染色體（SSC7），并與標記SSC2B02（保留率=43%，LOD=15.18）緊密連鎖。半定量基因表達（RT-PCR）分析表明，TAP1在免疫組織及免疫相關(guān)組織中有選擇性表達[45]。除此，SLA基因、FUT1基因、ETEC的受體基因等都與豬的抗病性狀有關(guān)，部分抗病基因見表6。

表6 影響豬抗病性狀的部分主效基因或候選基因

4 展 望

近二十年來對豬的數(shù)量性狀的基因研究越來越深入、發(fā)現(xiàn)數(shù)量越來越多，除了進行輔助標記選擇育種之外，從基因組水平上利用基因編輯技術(shù)來修改數(shù)量性狀基因座以提高動物的經(jīng)濟效益開始受到重視。但許多基因的影響不僅僅是體現(xiàn)在某一單一性狀上面，如定位于6 號染色上的豬骨骼肌蘭尼定受體基因，該基因在對肉質(zhì)（酸肉）、生長胴體（背最長肌pH、背膘厚、日增重）、抗病性（軟骨?。┑刃誀罘矫娑加兄匾挠绊懀煌瑫r，某一性狀不是僅由一種基因決定，如數(shù)量性狀產(chǎn)仔數(shù)是由下丘腦-垂體-性腺軸上多個基因決定。所以某一性狀具有多個QTL 和多個候選基因，同一性狀的不同基因或QTL 間關(guān)系十分復(fù)雜，其關(guān)系也常存在協(xié)同或拮抗作用，因此進行標記輔助選擇的研究投入較大，且研究停留在對單個基因的針對性研究上；如果運用基因編輯進行動物育種也可能面臨著基因改變導致非特異性狀改變的威脅。因此在豬的QTLs 基因定位數(shù)量越來越多時，其基因功能解析也顯得越發(fā)重要。